(57)【要約】【課題】構造物の表面のみを均一に細粒化することにより、原子炉構造物の応力腐食割れを予防する。【解決手段】構造物８の表面層に対し加工処理を施し、その後当該表面層に対して加熱処理を施すことにより、構造物８の表面層に均一な微細粒組織を形成する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
オーステナイト系ステンレス鋼またはニッケル基合金で形成された構造物の表面に加工層を形成する加工処理工程と、この表面加工層を再結晶温度以上の温度で所定時間加熱する加熱処理工程と、この加熱処理工程の後に当該構造物を冷却する冷却工程と、からなることを特徴とする構造物の予防保全方法。
【請求項２】
前記構造物の表面に加工層を形成する加工処理工程として、レーザーピーニングを採用したことを特徴とする請求項１記載の構造物の予防保全方法。
【請求項３】
前記構造物の表面に加工層を形成する加工処理工程として、ショットピーニングまたはウォータジェットピーニングを採用したことを特徴とする請求項１記載の構造物の予防保全方法。
【請求項４】
前記構造物の表面に加工層を形成する加工処理工程として、ハンマによる打撃を採用したことを特徴とする請求項１記載の構造物の予防保全方法。
【請求項５】
前記構造物の表面に加工層を形成する加工処理工程として、超音波を採用したことを特徴とする請求項１記載の構造物の予防保全方法。
【請求項６】
前記構造物の表面に加工層を形成する加工処理工程として、グラインダによる研削加工または研磨加工を採用したことを特徴とする請求項１記載の構造物の予防保全方法。
【請求項７】
前記表面加工層を加熱する加熱処理工程として、レーザ照射を採用したことを特徴とする請求項１記載の構造物の予防保全方法。
【請求項８】
前記表面加工層を加熱する加熱処理工程として、高周波誘導加熱を採用したことを特徴とする請求項１記載の構造物の予防保全方法。
【請求項９】
前記表面加工層を加熱する加熱処理工程として、火炎放射または燃焼ガスを採用したことを特徴とする請求項１記載の構造物の予防保全方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は原子炉構造物等の構造物を応力腐食割れから予防するようにした構造物の予防保全方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
沸騰水型原子炉の原子力発電所では原子炉圧力容器内の炉心部で冷却水を加熱して蒸気を発生させ、この蒸気を主蒸気管を通してタービンへ送り、タービンを駆動して発電させる。タービンで仕事を終えた蒸気は復水となり、浄化されたのち原子炉圧力容器内へ給水されるように構成されている。
【０００３】
前記沸騰水型原子炉の原子炉圧力容器は図７のように構成されている。すなわち、図７において原子炉圧力容器１内には炉心を構成する燃料集合体２、制御棒３、炉心計装管４、制御棒案内管５、制御棒駆動機構６および気水分離器７からなる炉内機器と、円筒状の炉心シュラウド８、上部炉心支持格子板９、下部炉心支持格子板１０およびシュラウドサポートシリンダ１１等からなる原子炉構造物とが配設されている。
【０００４】
そして、前記原子炉構造物の材料としては、耐食性と強度等の観点からオーステナイト系ステンレス鋼およびニッケル基合金が多く用いられている。しかしながら、製作時の加工応力等で表面が硬化した原子炉構造物には溶接による残留応力が原因となって一部に応力腐食割れ（Stress Corrosion Cracking、以下SCCと称す）が発生するという問題がある。この対策として、原子炉構造物の表面にショットピ−ニングによる加工を施し、表面に圧縮応力を付与する方法（例えば、特許文献１参照）が開発されている。
【特許文献１】特開平８−１５１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１に記載されたショットピーニングでは、構造物が長時間高温に晒された場合には応力が緩和する可能性があり、また、圧縮応力の付与によって表面が硬化するため、応力の改善が不十分であったり、一部施工漏れがあったりすると保全不良となる恐れがある。
【０００６】
そこで、材料を改質して本質的にSCC感受性がない状態にすれば長期間に渡っても効果を持続させることができる。金属材料からSCC感受性を消失させる方法として、金属材料の表面層に対して加工処理と加熱処理とを施して結晶粒を微細化する発明（例えば、特開2003-183730号公報参照）が公開されている。この発明は構造物を製作する前の板状の工業用純アルミニュウムＴｉ添加極低炭層ＩＦ鋼の表面全体にワイヤブラシやショットピーニングによる機械加工処理を施したあと、加熱処理を施して表面部に超微細結晶粒を得る方法であって、オーステナイト系ステンレス鋼またはニッケル基合金にも適用できるものと考えられる。
【０００７】
しかしながら、この発明の方法は構造物に加工する前の素材の状態であれば適用可能であるが、素材を溶接等により構造物とした後では、その溶接部が再結晶してしまうため粗粒化してもとの性状を保持することはできず、結局本発明の対象である構造物に適用することは困難と考えられる。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、上記従来技術の課題に鑑みてなされたもので、構造物の表面のみを均一に微細粒化することにより、構造物の応力腐食割れを予防するようにした構造物の予防保全方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するために、請求項１に係る構造物の予防保全方法の発明は、オーステナイト系ステンレス鋼またはニッケル基合金で形成された構造物の表面に加工層を形成する加工処理工程と、この表面加工層を再結晶温度以上の温度で所定時間加熱する加熱処理工程と、この加熱処理工程の後に当該構造物を冷却する冷却工程とからなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
図６で示した結晶粒径と腐食速度の関係図から明らかなように、結晶粒径が小さいほど腐食速度が低下し、粒径５μm以下では著しい効果が得られることがわかる。従来技術では、厚板や溶接構造物の結晶粒微細化は困難であったが、本発明によれば厚板や溶接後の構造物に対しても適用可能であり、これにより、大型構造物の溶接物に対しても微細粒化が適用可能となり、原子炉内構造物用にも十分適用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明は、原子炉構造物等の構造物の表面層にのみ機械加工処理および加熱処理を施して表面層に均一な微細結晶粒を形成するようにしたものであり、以下の実施例で述べる加工処理工程および加熱処理工程の組み合わせにより達成することができる。  
以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。なお、各図を通じて共通する部分には同一符号をつけて重複する説明は省略する。
【００１２】
（実施例１）
図１は構造物の表面層に加工処理および加熱処理を施す工程を示す図であり、特に図１（ａ）は加工処理と加熱処理とを１回づつ施すようにした一段処理工程図、図１（ｂ）は材料により加工処理と加熱処理とを二回づつ繰り返すようにした二段処理工程図ある。
【００１３】
図１（ａ）、図１（ｂ）において１０１および１０４は加工処理工程、１０２および１０５は加熱処理工程、そして１０３および１０６は冷却工程である。本発明では以下、一段処理工程に基づいて説明する。
【００１４】
本発明は、加工処理工程１０１において、構造物の表面層に対して例えば100μm〜１ｍｍの深さで、変形率40％〜80％程度の加工処理を行い、そしてこの加工処理工程１０１によって形成された表面加工層に対して、加熱処理工程１０２において、オーステナイト系ステンレス鋼の再結晶温度より若干高い温度例えば850℃〜970℃の温度で数十秒〜１，２分間程度の加熱処理を施し、さらにその後、冷却工程１０３で冷却処理を施すようにしたものである。
【００１５】
図２は加工処理工程１０１において、例えばＹＡＧレーザや炭酸ガスレーザなどのレーザを用いたレーザーピーニングを行い、さらに加熱処理工程１０２においてこの表面加工層にレーザを照射して加熱処理を行う場合の実施例を示す。
【００１６】
加工処理工程１０１に適用したレーザーピーニングとは、水中２０１でパルスレーザ２０２を照射し、金属表面において発生したプラズマ２０４による衝撃波２０５で金属表面の改質を行う処理方法のことであり、本実施例の場合例えば炉心シュラウド８に代表されるような大型の原子炉構造物（以下、単に構造物８と称する）を水中２０１に浸した状態で、その表面に図示しないパルス発振器から導いたパルスレーザ２０２を集光レンズ２０３を経て照射し、構造物８の表面部にプラズマ２０４を発生させ、そのプラズマ２０４の衝撃波２０５により構造物８の表面に加工層２１０ａを形成するようにしたものである。
【００１７】
その後、加熱処理工程１０２において、この構造物８の表面部に形成された前記加工層に対して図示しないＹＡＧレーザ加工機あるいは炭酸ガスレーザ加工機に接続された光ファイバ２０６からレーザを気中２０７で集光レンズ２０８、ミラー２０９を経て照射することによって、構造物８の表面加工層を850℃〜970℃の温度で数十秒〜１，２分間程度の時間加熱処理することにより再結晶させて微細粒層２１０を形成する。そしてその後構造物８を冷却工程１０３で冷却処理する。
【００１８】
図６は結晶粒径（横軸）に対する腐食速度（縦軸）の関係を示す図である。この図６から明らかなように、結晶粒径が小さいほど腐食速度が低下し、粒径５μm以下では著しい効果が得られることがわかる。従来技術では、厚板や溶接構造物の結晶粒微細化は困難であったが、本発明によれば厚板や溶接後の構造物に対しても適用可能であり、これにより、大型構造物や溶接物に対しても微細粒化が適用可能で原子炉構造物にも適用できる。なお、上記図６の出典は、論文「M. Hasegawa, M. Osawa, Corrosion, Vol. 40, 371,FIGURE6 (1984)」によるものである。
【００１９】
以上述べたように、本発明は構造物８の表面層に対して加工処理を施す工程と、この加工処理を施した表面層に対して加熱処理を施す工程とを組み合わせることにより、構造物の表面層に均一な微細粒組織を形成するSCC防止方法を提供することができる。
【００２０】
この発明方法によれば、厚い板に対して表面のみに微細結晶粒の層を形成することができるので、溶接構造物に対しても溶接後にこの処理を施すことにより、構造物８の表面のみに微細粒組織を形成することができる。
【００２１】
しかも、構造物８の加工処理工程を実現する具体的手段としてレーザーピーニングを用いるようにしたので、深さ1ｍｍ程度までの表面加工層を形成でき、その後この表面加工層に対してレーザ照射により急加熱して再結晶させることにより表面層に数100μmの微細粒組織を形成することが可能となる。
【００２２】
（実施例２）
図３は本実施例２における加工処理工程１０１および加熱処理工程１０２を示す図である。本実施例２は、加工処理工程１０１を実現する具体的手段としてショットピーニングを採用し、加熱処理工程１０２を実現する具体的手段として高周波誘導加熱を採用するようにしたものである。
【００２３】
加工処理工程１０１で採用するショットピーニングとは、鋼球またはそれに類似する硬度の高い小球を構造物８の表面に高圧気体により吹き付け、その衝撃で表面に加工層２１０ａを形成するものであり、ショットピーニングノズル３０１から前述した鋼球またはそれに類似する硬度の高い小球３０４を構造物８の表面にショット噴射３０２するものである。
【００２４】
また、加熱処理工程１０２で採用する高周波誘導加熱とは、高周波誘導コイル３０３によって発生した高周波磁束が構造物８と交差した際に、構造物８内に高周波の渦電流を誘起させ、この渦電流によって構造物８自体の内部発熱を利用するものである。この加熱処理工程１０２では、高周波電流の周波数が高いほど渦電流が外周部に集中するという表皮作用を利用して構造物８の表面部に渦電流を誘起させ加熱するものである。そして本実施例２の場合も前記実施例１同様、構造物８の表面を850℃〜970℃の温度で数十秒〜１，２分間程度の加熱処理することにより再結晶させて表面のみに微細粒層２１０を形成する。そしてその後、構造物８を冷却工程１０３で冷却する。
【００２５】
以上述べたように、本実施例２によれば、ショットピーニングにより構造物８に表面加工層２１０ａを形成し、その後この表面加工層２１０ａを高周波誘導加熱手段を用いて加熱することにより表面層に微細粒層２１０を形成することが可能である。なお、この高周波誘導加熱手段は周波数を適宜選定することにより表面からの加熱深さを制御するのが容易であり、かつ高効率で加熱層を形成するのに適している。
【００２６】
（実施例３）
図４は本実施例３における加工処理工程１０１および加熱処理工程１０２を示す図である。本実施例３は、加工処理工程１０１をハンマによる打撃で実現し、加熱処理工程１０２を火炎放射等で実現するようにしたものである。
【００２７】
図４において、構造物８の表面にアクチュエータ４０１のハンマ４０２を対峙させた状態でこのアクチュエータ４０１を図示しない制御電源に接続して高周波の電磁力を発生させ、この電磁力によりハンマ４０２を高周波で振動させることによってハンマ４０２の先端部で構造物８の表面に打撃を加え加工層２１０ａを形成する。なお、アクチュエータ４０１を作動させるのに電気に替えて圧縮空気を用いてもよい。
【００２８】
しかる後、表面加工層に対して火炎ガン４０３のノズルを対峙させ、放射される火炎または燃焼ガス４０４で表面を850℃〜970℃の温度で数十秒〜１，２分間程度の加熱処理をして再結晶させ表面のみに微細粒層２１０を形成する。そしてその後構造物８を冷却工程１０３で冷却する。図中、４０５は燃料供給チューブ、４０６は酸素供給チューブである。
【００２９】
以上述べたように、本実施例３によれば、構造物８の表面に加工を施す手段としてアクチュエータによって駆動されるハンマを用いて表面に高周波の打撃を加えることにより表面加工層を形成し、その後にこの表面加工層を火炎放射または燃焼ガスを用いて加熱し再結晶させることにより表面層に微細粒組織を形成することができる。
【００３０】
（実施例４）
図５は本実施例４における加工処理工程１０１のみを具体的に示す図である。本実施例４は、グラインダ５０１で構造物８の表面を研削または研磨することにより加工処理工程１０１を行うようにしたものである。
【００３１】
本実施例４では、グラインダ５０１で深さ数100μｍ程度まで構造物８の表面を研削加工または研磨加工を行って表面加工層２１０ａを形成し、その後にこの表面加工層２１０ａを上述した加熱手段のうちいずれかの適宜な加熱手段により加熱して再結晶させることにより、表面層に微細粒組織を形成することを可能とする。
【００３２】
（その他の実施例）
なお、上記実施例２では、加工処理工程１０１を実現する具体的手段としてショットピーニングを適用したが、この代わりにウォータジェットピーニング（水中で高圧水流を吹き付けた際に生じるキャビテーションにより加工層を形成する方法）を適用しても同様に微細粒を得ることができる。また、実施例３では加工処理工程１０１を実現する具体的手段として構造物の表面を高周波で打撃するハンマを適用したが、このハンマの代わりに、超音波で打撃するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】冷間加工処理および熱処理処理による結晶粒径微細化製造工程図であり、図１（ａ）は加工処理と加熱処理とを１回づつ施すようにした工程図、図１（ｂ）は材料により加工処理と加熱処理とを二回づつ繰り返すようにした２段階の工程図ある。
【図２】本発明の実施例１による加工処理および加熱処理による結晶粒径微細化製造工程を示す図。
【図３】本発明の実施例２による加工処理および加熱処理による結晶粒径微細化製造工程を示す図。
【図４】本発明の実施例３による加工処理および加熱処理による結晶粒径微細化製造工程を示す図。
【図５】本発明の実施例４による加工処理および加熱処理による結晶粒径微細化製造工程を示す図。
【図６】結晶粒径と腐食速度の関係を示す図。
【図７】従来の沸騰水型原子炉内を一部切欠して断面で示す斜視図。
【符号の説明】
【００３４】
１０１…加工処理工程、１０２…加熱処理工程、１０３…冷却工程、１０４…加工処理工程、１０５…加熱処理工程、１０６…冷却工程、２０１…水中、２０２…レーザーパルス、２０３…集光レンズ、２０４…プラズマ、２０５…衝撃波、２０６…光ファイバ、２０７…気中、２０８…集光レンズ、２０９…ミラー、２１０…微細粒層、２１０ａ…表面加工層、３０１…ショットピーニングノズル、３０２…ショット噴射、３０３…高周波誘導コイル、３０４…鋼球，小球、４０１…アクチュエータ、４０２…ハンマ、４０３…火炎ガン、４０４…火炎または燃焼ガス、４０５…燃料供給チューブ、４０６…酸素供給チューブ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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